外圓加工仿真在機械制造基礎教學中的應用研究

楊立平+趙立紅+黃雪梅

摘要：針對機械制造基礎課程中外圓表面加工方法進行三維仿真分析研究。探討外圓表面加工方法的特點，給出三爪卡盤裝夾條件下車削外圓的仿真方法，磨削階梯軸外圓表面仿真方法和鏜削支架外圓表面的仿真方法，分析外圓加工方法三維仿真的效果，得出外圓加工仿真可使外圓加工原理及特點簡單化、直觀化的結論。

關鍵詞：機械制造基礎；外圓加工；三維仿真；教學

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）01-0158-02

隨著現(xiàn)代化教學手段的不斷運用，三維仿真技術在教學過程中的應用效果日益明顯。機械制造基礎作為工科院校的一門專業(yè)基礎課程，承擔著學生從基礎向專業(yè)學習過渡的重要任務[1，2]。然而，由于機械制造方法及制造工藝過程理論實踐性強的特點，如何將枯燥抽象的加工、制造理論生動真實的展現(xiàn)出來已成為教學過程中需要解決的重要問題，外圓加工方法作為機械制造基礎課程中的基本知識，便成為需要生動展現(xiàn)的重要對象。鑒于三維仿真技術具有直觀性、生動性等優(yōu)點，本文運用三維仿真軟件[3]，研究車削、磨削、鏜削外圓加工方法的三維建模及加工過程動態(tài)仿真的實現(xiàn)方法，力求提高機械制造基礎課程的課堂教學效果。

一、機械制造基礎課程中外圓加工方法的特點

外圓加工方法是機械制造基礎課程中最基本的加工理論[1]，只有讓學生充分理解并掌握該部分內(nèi)容，才能使學生更有效地理解各類表面加工方案和零件加工工藝過程部分的理論知識。但是在教學過程中，如果僅僅憑借二維圖形和語言描述，很難形象展現(xiàn)各種加工過程中零件、刀具、夾具的運動狀態(tài)及各加工方法的優(yōu)越之處。例如，車削適合加工回轉體外圓面，而對于那些大型的不便回轉的支架或箱體類零件，外圓表面的加工可利用鏜床鏜削，但是鏜削非常適合加工不可回轉零件上的孔及孔系，一般鏜刀是繞刀桿軸線旋轉。加工外圓時鏜刀桿則需要安裝到平旋盤上，以保證鏜刀有較大的回轉空間[1]。并且為避免鏜刀桿剛性不足，鏜削不適合加工過長的外圓表面。這些理論若僅憑二維圖形表示自然會煩瑣抽象，語言敘述更枯燥乏味，如果能展示零件的立體結構，并輔助以零件移動的同時平旋盤與刀具如何旋轉，加工時零件外圓表面如何變化的動態(tài)過程演示，則會很方便地讓學生理解上述問題，并給學生以深刻印象，起到事半功倍的作用。

二、零件外圓加工的三維動態(tài)仿真分析

1.外圓加工仿真的實現(xiàn)方法。為了在課堂上展示外圓加工的三維動態(tài)過程，利用SolidWorks2013三維仿真軟件，進行車削、磨削、鏜削加工零件外圓表面的三維動態(tài)仿真樣機。

利用三爪卡盤裝夾加工回轉體零件外圓柱面是最常見的外圓車削方法，為展現(xiàn)車削過程中刀具、工件運動的最基本原理，建立車床主軸箱、三爪卡盤、車刀、階梯軸零件的三維模型，并建立三爪卡盤裝夾階梯軸的裝配模型。插入主軸箱，使其固定，再插入三爪卡盤，階梯軸零件和車刀，添加配合約束，以限定卡盤除繞軸線旋轉外的5個自由度和階梯軸的6個自由度。添加車刀與階梯軸的配合，保證車刀刀桿垂直與卡盤及階梯軸零件回轉軸線、刀尖與軸線等高，選擇拉伸切除命令，繪制斷面草圖，以實現(xiàn)刀具縱向進給，獲得車削階梯軸外圓仿真動畫如圖1所示。

外圓磨削是常見的外圓表面精加工方法，為了展現(xiàn)磨削外圓的原理，首先建立砂輪裝配體、階梯軸零件三維模型。為了模擬磨削外圓的真實場景，新建裝配體文件，首先插入砂輪裝配體模型，使其固定，然后插入階梯軸零件，添加配合確定砂輪軸與磨床頭架及階梯軸中心線間的位置；為實現(xiàn)砂輪對階梯軸最大外圓的磨削動作，添加砂輪右側表面與軸肩左端面距離為0mm，并選擇裝配體特征菜單的拉伸切除命令，繪制橫斷面草圖，選擇階梯軸為切除對象，更改砂輪裝配體狀態(tài)為浮動，在階梯軸外圓上添加旋轉馬達，在砂輪上添加反向馬達，選擇砂輪與階梯軸軸肩的距離配合，輸入距離值，生成仿真動畫如圖2所示。

鏜削是鏜刀旋轉作主運動，零件或鏜刀作進給運動的切削加工方法。為展現(xiàn)鏜削外圓與車削外圓的不同，建立支架三維模型及平旋盤和鏜刀模型。為實現(xiàn)鏜削加工，建立裝配體模型，插入平旋盤及鏜刀裝配體，使其固定，再插入支架三維模型，添加配合，保證平旋盤外圓與支架外圓同軸，鏜刀前端面與支架外圓端面距離，利用拉伸切除命令設置切除外圓直徑和長度，更改平旋盤及鏜刀狀態(tài)為浮動，為實現(xiàn)動態(tài)過程仿真，并在平旋盤外圓面處添加旋轉馬達，為展現(xiàn)切削時支架沿平旋盤軸線移動，在支架右側放置鍵碼并設置拉伸切除距離值，獲得仿真動畫如圖3所示。

2.外圓仿真效果的對比分析。從上述動態(tài)仿真可很容易地分析出：（1）車削、磨削、鏜削三種外圓方法工作原理不同，車削外圓柱面時，被加工零件旋轉，車刀沿著零件回轉軸線移動；而磨削外圓是磨具與被加工零件相對旋轉的同時，零件沿軸線移動；鏜削加工則是鏜刀旋轉，工件沿著鏜刀回轉軸線移動。（2）車削和鏜削外圓都是利用一把金屬切削刀具，切削時已加工表面隨刀刃的移動而增大，而磨削則是砂輪上很多磨粒隨著砂輪轉動來切除零件上的材料，切削層要薄很多。（3）車削外圓時工件軸線必須與回轉中心線重合，為避免重心偏移，零件不能過分復雜，而鏜削則只需要工件平移進給，因此更適合加工尺寸較大、結構復雜的不易回轉零件。（4）鏜削外圓時鏜刀桿處于懸臂狀態(tài)，因此不適合加工長度較大的外圓。由此可見上述仿真可在短時間內(nèi)使學生很容易的理解車削、鏜削、磨削外圓的基本理論，可以使外圓加工原理和特點簡單化、直觀化。

三、結論

分析了機械制造基礎課程中外圓加工理論的特點，利用三維仿真軟件SolidWorks2013進行了車削階梯軸外圓、磨削階梯軸外圓和鏜削大型支架外圓的三維建模和動態(tài)仿真方法研究，通過三種外圓加工方法動態(tài)仿真結果的對比分析發(fā)現(xiàn)，外圓加工三維仿真動畫直觀的展現(xiàn)了三種加工方法所用刀具及加工原理的不同，生動的顯示了外圓加工方法的各自特點，為提高機械制造基礎課程教學效果打下了基礎。

參考文獻：

[1]任正義.機械制造工藝基礎[M].北京：高等教育出版社，2010.

[2]孫健峰，楊洲，王慰祖.機械制造基礎課程教學中存在的問題及改革的思考[J].當代教育理論與實踐，2016，8（4）：78-80.

[3]北京兆迪科技有限公司.SolidWorks2013實例寶典[M].北京：中國水利水電出版社，2013.

The Application Research of Cylindrical Processing Simulation in Mechanical Manufacture Foundation Teaching

YANG Li-ping，ZHAO Li-hong，HUANG Xue-mei

（Harbin Engineering University，Harbin，Heilongjiang 150001，China）

Abstract：The 3D simulation of the cylindrical surface processing methods are analyzed. The characteristics of cylindrical surface processing method are researched. Then，the simulation method of turning cylindrical surface which clamped by a three jaw chuck is given. At last，simulation methods of grinding stepped shaft cylindrical surface and boring stent cylindrical surface are researched. From Analysis of cylindrical surface processing 3D simulation，we can get the conclusion that cylindrical surface processing simulation can not only simplify the cylindrical processing principle，but also improve the vivacity of the cylindrical processing characteristics.

Key words：mechanical manufacture foundation；cylindrical processing；3D simulation；teaching